Search for a leptoquark in events with a hadronically decaying $\tau$-lepton and missing transverse momentum using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Met behulp van 140 fb$^{-1}$ aan 13 TeV proton-proton botsingsgegevens verzameld door de ATLAS-detector, zoekt deze studie naar leptoquarks in eindtoestanden die een hadronisch vervallend $\tau$-lepton en ontbrekende transversale momentum bevatten, waarbij geen overschot wordt gevonden ten opzichte van de Standaardmodel-voorspellingen en 95% betrouwbaarheidslimieten worden gesteld op koppelingsconstanten voor $U_1$ vector-leptoquark massa's tussen 1,5 en 3,0 TeV.

De kern

Het Grote Plaatje: De zoektocht naar "Kosmische Lijm"

Stel je voor dat het universum is opgebouwd uit piepkleine Lego-steentjes. We hebben twee hoofdtypen steentjes: quarks (die protonen en neutronen bouwen) en leptonen (zoals elektronen en tau-deeltjes). Decennialang heeft het Standaardmodel van de natuurkunde beweerd dat deze twee soorten steentjes nooit direct aan elkaar plakken; ze kunnen alleen met elkaar interageren door een boodschapper-deeltje heen en weer te sturen.

Echter, enkele recente experimenten hebben een vreemde glitch opgemerkt. Wanneer bepaalde zware deeltjes (B-mesonen) vervallen, lijken ze vaker in "tau"-deeltjes te veranderen dan de regels voorschrijven. Het is alsof een verkoopautomaat die normaal gesproken 10% van de tijd een frisdrank geeft, de laatste tijd opeens 15% van de tijd een frisdrank geeft.

Natuurkundigen vermoeden dat er een nieuwe, onzichtbare "lijm" zou kunnen zijn die deze twee verschillende soorten steentjes aan elkaar bindt. Ze noemen deze hypothetische lijm een Leptoquark. Het is een deeltje dat een quark en een lepton kan grijpen en ze tegen elkaar aan kan smijten, waardoor het fungeert als een brug tussen twee werelden die normaal gesproken niet mengen.

Het Experiment: Een High-Speed Particle Smackdown

Het ATLAS-team bij CERN's Large Hadron Collider (LHC) besloot op zoek te gaan naar deze lijm. Ze namen protonen (die als kleine zakjes quarks zijn) en lieten die bijna met de snelheid van het licht tegen elkaar aan knallen.

De Opstelling:
Beschouw de botsing als een high-speed auto-ongeluk. Wanneer de auto's (protonen) botsen, spatten ze uiteen in een miljoen stukjes. De ATLAS-detector is een gigantische, 360-graden camera die een snapshot maakt van elk stukje dat eruit vliegt.

De Aanwijzing Waarnaar Ze Zochten:
Het team was niet op zoek naar zomaar welk puin dan ook. Ze zochden specifiek naar een zeer zeldzaam, specifiek patroon:

1. Een Tau-deeltje dat uiteenvalt in een spray van andere deeltjes (als een vuurwerk dat ontploft).
2. Veel ontbrekende energie. Omdat we neutrino's (geestachtige deeltjes die overal doorheen gaan) niet kunnen zien, weten we dat ze aanwezig zijn omdat de totale energie in de snapshot niet overeenkomt met het begin. Het is alsof je ziet dat een biljartbal een rij ballen raakt, en plotseling heeft de tafel minder energie dan hij begon te hebben — er moet iets onzichtbaar van de tafel af gevlogen zijn.

Ze zochten naar deze "Tau + Ontbrekende Energie"-gebeurtenissen die samen met een Jet (een spray van deeltjes van een quark) plaatsvonden.

De Strategie: Twee Manieren om de Lijm te Vangen

Het team zocht naar de Leptoquark op twee verschillende manieren, zoals zoeken naar een verloren sleutel in twee verschillende kamers:

1. De "Resonante" Zoektocht (De Directe Klap):
   Stel je voor dat je een bal tegen een muur gooit. Als de muur een specifieke opening heeft, kan de bal daar een fractie van een seconde blijven hangen voordat hij erdoorheen valt. Het team zocht naar een Leptoquark die direct wordt gecreëerd en vervolgens onmiddellijk uiteenvalt in een Tau en een quark. Dit zou verschijnen als een duidelijke "bump" in de data bij een specifiek gewicht (massa).

2. De "Niet-Resonante" Zoektocht (De Onzichtbare Hand):
   Stel je voor dat twee mensen een bal naar elkaar gooien, maar in plaats van hem te vangen, raken ze elkaar slechts kort aan, waarbij de bal licht van richting verandert zonder ooit echt vastgehouden te worden. Dit is de "t-kanaal" uitwisseling. De Leptoquark wordt niet als een echt deeltje gecreëerd; het bestaat slechts een fractie van een seconde als een kracht die de deeltjes uit elkaar duwt. Dit zou verschijnen als een algemene toename van hoogenergetische botsingen, in plaats van een specifieke bump.

De Resultaten: De Geest Blijft Ongrijpbaar

Na het analyseren van een enorme hoeveelheid data (140 "inverse femtobarns" — wat een chique manier is om te zeggen dat ze biljoenen botsingen hebben geobserveerd), vond het team niets.

• De Analogie: Stel je voor dat je op zoek bent naar een specifiek type zeldere vogel in een bos. Je zet krachtige camera's op en luistert maandenlang naar zijn roep. Je ziet duizenden andere vogels, eekhoorns en de wind in de bomen. Maar je hoort nooit de roep van de zeldere vogel.
• De Conclusie: Het aantal "Tau + Ontbrekende Energie"-gebeurtenissen dat ze zagen, kwam exact overeen met wat het Standaardmodel voorspelt. Er waren geen extra gebeurtenissen, geen bumps en geen vreemde excessen.

Wat Dit Betekent voor de "Lijm"

Hoewel ze de Leptoquark niet hebben gevonden, is dit nog steeds een zeer belangrijk resultaat. Door hem niet te vinden, hebben ze een "Verboden Toegang"-bord geplaatst op een groot deel van de kaart.

• De Kaart: Ze hebben Leptoquarks getest met massa's tussen 1,5 en 3,0 TeV (wat ongeveer 1.500 tot 3.000 keer zwaarder is dan een proton).
• De Limiet: Ze hebben berekend dat als deze "lijm" bestaat, deze niet zo sterk kan zijn als ze hoopten in dat gewichtsbereik. Ze hebben veel van de theorieën die probeerden de "verkoopautomaat-glitch" (de B-meson anomalieën) te verklaren met dit specifieke type Leptoquark, uitgesloten.

Samenvatting

De ATLAS-samenwerking heeft protonen tegen elkaar aan geknald, gezocht naar een specifiek, zeldzaam patroon van puin dat een nieuw "lijm"-deeltje zou signaleren dat quarks en leptonen verbindt, en vond niets anders dan de verwachte achtergrondruis.

De kernboodschap: Het universum gedraagt zich in dit specifieke scenario nog precies zoals de oude regels voorspelden. De "Leptoquark" blijft een geest, en als hij bestaat, is hij ofwel te zwaar of te zwak om gezien te worden door dit specifieke experiment. De zoektocht gaat door, maar dit specifieke pad is afgesloten.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Zoektocht naar een Leptoquark in Events met een Hadronisch Vervallend $\tau$-Lepton en Ontbrekende Transversale Impuls

Probleem en Motivatie
Semileptonische vervallen van $B$-mesonen, specifiek de ratio's $R(D^{(*)}) = \mathcal{B}(B \to D^{(*)}\tau\nu)/\mathcal{B}(B \to D^{(*)}\ell\nu)$, vertonen een hardnekkige afwijking van ongeveer $3,8\sigma$ van de verwachtingen binnen het Standaardmodel (SM). Deze anomalie suggerekt een doorbraak in de leptoon-familie-universaliteit (LFU) en motiveert de zoektocht naar nieuwe fysica, potentieel gemedieerd door leptoquarks (LQs). Hoewel eerdere zoektochten door ATLAS en CMS zich richtten op de paarproductie van leptoquarks of enkel geproduceerde LQs die vervallen in $\tau\tau$-eindtoestanden, gaan deze analyses vaak uit van het scenario dat de signaalintensiteit primair afhangt van de $b\tau$-koppeling. Dit artikel presenteert de eerste ATLAS-zoektocht die specifiek gericht is op de $\tau\nu(+b)$ eindtoestand om direct scenario's te onderzoeken waarbij de $c\nu$-koppeling significant is, een regio die niet grondig is gedekt door eerdere $\tau\tau$-zoektochten.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton–proton-botsingsdata verzameld door de ATLAS-detector bij $\sqrt{s} = 13$ TeV tijdens Run 2 (2015–2018), wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 fb$^{-1}$. De zoektocht richt zich op de productie van een vector-leptoquark $U_1$ met kwantumgetallen $(3, 1, 2/3)$. Er worden twee verschillende productiemechanismen overwogen:

1. Resonante enkelvoudige productie: $U_1$ geproduceerd via $t$-kanaal uitwisseling, vervallend in een hoog-$p_T$ $b$- of $s$-quark en een $\tau$-lepton.
2. Niet-resonante productie: $t$-kanaal uitwisseling leidend tot een $\tau\nu$-systeem met een geassocieerde jet.

Het signaal wordt gekenmerkt door een hadronisch vervallend $\tau$-lepton ($\tau_{\text{had}}$) met een hoge transversale impuls ($p_T > 200$ GeV) en een grote ontbrekende transversale impuls ($E_T^{\text{miss}}$). Events worden gecategoriseerd in vier Signaalregio's (SRs) op basis van de aanwezigheid van een $b$-jet en het verwachte massaregieme:

• Resonante SRs (SR0b-Res, SR1b-Res): Geoptimaliseerd voor lagere LQ-massa's ($\sim 1,5$ TeV), waarbij $E_T^{\text{miss}} > 200$ GeV en transversale massa $m_T > 200$ GeV vereist zijn.
• Niet-resonante SRs (SR0b-NonRes, SR1b-NonRes): Geoptimaliseerd voor hogere massa's, waarbij $E_T^{\text{miss}} > 400$ GeV en $m_T > 600$ GeV vereist zijn.

Achtergronden worden geschat met behulp van gesimuleerde monsters die worden gecontroleerd door data in Controle-regio's (CRs). De dominante achtergrond, $W \to \tau\nu$ + jets, wordt genormaliseerd met CR's met een lepton ($e$ of $\mu$) in plaats van een $\tau_{\text{had}}$. Top-quark achtergronden worden gecontroleerd met CR's met een $\tau_{\text{had}}$ en een extra lepton. Validatie-regio's (VRs) worden ingezet om de extrapolatie van achtergrondschattingen van CR's naar SR's te testen.

Belangrijkste Bijdragen

• Nieuw Kanaal: Dit werk introduceert de eerste ATLAS-analyse gericht op de $\tau\nu(+b)$ eindtoestand, specifiek ontworpen om de interactie tussen $b\tau$- en $c\nu$-koppelingen in het $U_1$ leptoquark-model te onderzoeken.
• Koppelingsgevoeligheid: De analyse is gevoelig voor het hoog-$\beta_{23}^L$ gebied van de parameterruimte (waar $\beta_{23}^L$ de $c\nu$-koppeling bepaalt), een gebied dat minder beperkt wordt door eerdere paarproductie-zoektochten die grotendeels ongevoelig zijn voor de koppelingssterkte bij de leidende orde.
• Uitgebreide Strategie: Door events te categoriseren naar $b$-jet-multipliciteit en onderscheid te maken tussen resonante en niet-resonante topologieën, dekt de zoektocht een breed bereik aan koppelingsscenario's ($g_U$ en $\beta_{23}^L$) voor leptoquark-massa's tussen 1,5 TeV en 3,0 TeV.

Resultaten
Er wordt geen significante overmaat aan events boven de voorspelling van de Standard Model-achtergrond waargenomen in enige van de signaalregio's. De waargenomen data komen goed overeen met de post-fit achtergrondverwachtingen over alle kinematische distributies.

• Exclusie-limieten: Bovengrens-limieten op de signaalsterkte $\mu$ worden vastgesteld op het 95% betrouwbaarheidsniveau (CL) met de $CL_s$-methode.
• Parameterruimte: Limieten worden afgeleid op de koppeling $g_U$ als functie van de leptoquark-massa $m_{U_1}$ voor vaste waarden van $\beta_{23}^L$, en op $\beta_{23}^L$ als functie van $g_U$ voor vaste massa's.
  • Voor $m_{U_1} = 1,5$ TeV zijn de waargenomen bovengrens-limieten op $g_U$ respectievelijk 1,13 (bij $\beta_{23}^L = 1,0$) en 0,52 (bij $\beta_{23}^L = 2,2$).
  • Voor $m_{U_1} = 2,5$ TeV zijn de waargenomen bovengrens-limieten op $g_U$ respectievelijk 2,30 (bij $\beta_{23}^L = 1,0$) en 1,22 (bij $\beta_{23}^L = 2,2$).
• Anomalie-beperkingen: De resultaten sluiten delen van de parameterruimte uit die gunstig is voor $B$-fysica anomalieën, met name bij hogere waarden van $\beta_{23}^L$. Echter, de analyse sluit niet het gehele gebied uit dat consistent is met de $R(D^{(*)})$-anomalie, aangezien lagere koppelingswaarden toegestaan blijven.

Betekenis
Het artikel beweert dat deze zoektocht complementaire beperkingen biedt aan eerdere leptoquark-zoektochten. Terwijl paarproductie-zoektochten de sterkste beperkingen bieden bij lage massa's voor grote koppelingen, onderzoekt deze enkelvoudige productie en niet-resonante analyse het hoog-$\beta_{23}^L$ gebied, wat cruciaal is voor het verklaren van de $R(D^{(*)})$-anomalie in specifieke UV-volledige modellen. Door limieten te stellen op de koppelingen in het benchmark $U_1$ vector-leptoquark-model, verkleint deze analyse de levensvatbare parameterruimte voor nieuwe fysica-verklaringen van de $B$-meson flavor-anomalieën, specifiek door scenario's te testen waarbij de $c\nu$-koppeling een dominante rol speelt.